陈立宝/陈月皎ACS Nano: 基于功能性有机锌螯合物实现无枝晶锌负极！

安全性高、资源丰富的锌金属电池（ZMBs）因其理论容量高和低电化学电位等优点而在温和的水系电解液中得到了广泛研究。然而，由于锌负极上严重的水腐蚀和枝晶生长，水系ZMBs会遭受快速循环劣化。

为此，中南大学陈立宝教授、陈月皎副教授等人在锌金属上设计了具有良好锌亲和力和特殊纳米级3D颗粒结构的高抗水性Zn_x-二亚乙基三胺五（亚甲基膦酸）（Zn_x-DTPMP）界面层来解决上述问题。实验结果结合理论分析和COMSOL模拟表明，这种Zn基有机配合物中的疏水基团是防止H₂O损坏Zn负极表面的决定性因素。

所获得的DTPMP-Zn负极在以下几个方面具有显著的优点：

（1）表面的纳米级颗粒结构可以使Zn²⁺通量均匀化，从而实现均匀致密的沉积；

（2）锌基DTPMP有机络合物层通过提供大量具有亲锌基团的锌吸收位点而具有增强的锌离子亲和能力；

（3）丰富的表面固定疏水基团的存在有效地阻止了水分子与锌负极的接触，可抑制副反应并提高Zn²⁺去溶剂化能力。

图1. DTPMP-Zn电极的示意图及表征

受益于上述协同作用，这种改性DTPMP-Zn负极在5 mA cm^-2、0.5 mAh cm^-2条件下可实现超过1300小时的稳定循环寿命，而裸Zn对称电池只能循环不到200 小时。DTPMP-Zn对称电池在各种电流密度下始终提供较小的电压滞后，即19.9 （0.5 mA cm^-2）、23.7（1 mA cm^-2）、32.5（2 mA cm^-2）、58.2（5 mA cm^-2）和 93.2 mV（10 mA cm^-2），远低于裸锌电池（25.3、31.4、44.8、74.9和116.7 mV）。

此外，作者还展示了基于该改性负极组装的全电池（Zn//V₂O₅和Zn//MnO₂电池），DTPMP-Zn//V₂O₅电池在3 A g^-1下2000次循环内提供比Zn//V₂O₅全电池更高的容量保持率和更长的寿命。这项工作通过结合结构设计和在表面构建保护层为制备高性能锌负极提供了一种简单、低成本和高效的途径，从而促进了水系ZMBs的发展。

图2. 基于DTPMP-Zn负极的全电池性能

A Functional Organic Zinc-Chelate Formation with Nanoscaled Granular Structure Enabling Long-Term and Dendrite-Free Zn Anodes, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c03398

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